Removal of herbicides using hybrid membrane technologies

Glyphosat (GLY) ist das weltweit am häufigsten verwendeten Herbizid, und Aminomethylphosphonsäure (AMPA) ist sein Hauptmetabolit. Ihr Vorkommen in Grund und Oberflächengewässern verursacht Krankheiten beim Menschen, während komplexe physikalisch-chemische Eigenschaften die Erkennung und wirksame Entfernung erschweren. Zur Entfernung von GLY und AMPA wurden verschiedene Technologien wie Adsorption, Filtration und Abbau mit unterschiedlicher Wirksamkeit eingesetzt. Die derzeitigen Entfernungstechnologien konnten GLY und AMPA jedoch nicht effektiv und nachhaltig aus dem Wasser entfernen. ... mehrDie „Effektivität“ bezieht sich auf die Entfernungseffizienz der Technologien, während die „Nachhaltigkeit“ sich auf die für die Wasseraufbereitung verwendete Energie und die produzierte Wassermenge bezieht. Daher ist die Entwicklung von Wasseraufbereitungstechnologien zur Entfernung von GLY und AMPA aus dem Wasser dringend erforderlich.

Vor der Untersuchung von Entfernungstechnologien muss die Analysemethode für GLY und AMPA in umweltrelevanten Konzentrationen entwickelt werden. Aufgrund ihrer komplexen physikalischchemischen Eigenschaften sind GLY und AMPA schwer zu analysieren und aus Wasser zu entfernen. Das Ziel besteht darin, GLY und AMPA in Wasser in niedriger Konzentration zu analysieren, wobei ein geringes Injektionsvolumen und kein Derivatisierungsschritt erforderlich sind. Für die Analyse der beiden Herbizide wurde die Flüssigkeits-chromatographie mit Tandem-Massenspektrometrie gewählt.

In dieser Dissertation wurden vier verschiedene Technologien hinsichtlich ihrer Entfernungseffizienz von GLY und AMPA untersucht. Diese Technologien sind: Adsorption durch polymer-basierte sphärische Aktivkohle (PBSAC), ein hybrides Adsorptions-Membranfiltrationssystem (Ultrafiltration mit permeatseitiger polymerbasierter kugelförmiger Aktivkohle, UF–PBSAC), Nanofiltrationsmembran (NF), und eine photokatalytische Membran (TiO2-beschichtete Poly(vinylidenfluorid)-Membran, PVDF-TiO2). Jede Technologie wurde hinsichtlich ihrer Entfernungseffizienz für GLY und AMPA sowie hinsichtlich der begrenzenden Faktoren für die Entfernung untersucht. Zu den begrenzenden Faktoren gehörten die Eigenschaften der Membran/des Adsorbens, die Betriebsparameter und die Wasserbedingungen. Mit dem Verständnis des Mechanismus der Technologie wurde das Experiment schließlich unter den optimierten Bedingungen zur Bewertung der Entfernung von GLY und AMPA durchgeführt.

Es wurde ein Vergleich zwischen verschiedenen Wasseraufbereitungstechnologien anhand der Kriterien GLY- und AMPA-Entfernungseffizienz und der Betriebsparameter durchgeführt.

Glyphosate (GLY) is the most commonly used herbicide worldwide, and aminomethylphosphonic acid (AMPA) is its main metabolite. These herbicides in ground and surface waters cause diseases in humans, while complex physicochemical properties hinder detection and effective removal. Several technologies have been applied to remove GLY and AMPA, including adsorption, filtration, and degradation, with varying efficiencies. However, current removal technologies cannot effectively and sustainably remove GLY and AMPA in water. In this context, the “effectiveness” refers to the removal efficiency of the technologies; meanwhile, the “sustainability” relates to the energy used in water treatment and the amount of water produced. ... mehrThe development of water treatment technologies for GLY and AMPA removal in water is urgently needed.

Before investigating the removal technologies, the analytical method needs to be developed for GLY and AMPA at environmentally relevant concentrations. Due to the complex physicochemical properties, GLY and AMPA are challenging to analyze and remove from water. The target is to analyze GLY and AMPA in water at low concentration, with low injection volume, and without derivatization step. Liquid chromatography with tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) was chosen for the analysis of the two herbicides.

In this dissertation, four different technologies were investigated for the removal efficiency of GLY and AMPA, including: adsorption by polymer-based spherical activated carbon (PBSAC), hybrid adsorption–membrane filtration system (ultrafiltration with permeate-side polymer-based spherical activated carbon, UF–PBSAC), nanofiltration membrane (NF), and photocatalytic membrane (TiO2-coated poly(vinylidene fluoride) membrane, PVDF-TiO2). Each technology was studied on the GLY and AMPA removal efficiency, and the limiting factors on the removal. The limiting factors included membrane/ adsorbent characteristics, operational parameters, and water conditions. With the understanding of the mechanism of the technology, the experiment was finally conducted at the optimized conditions for the evaluation of GLY and AMPA removal.

A comparison between different water treatment technologies took place with the criteria of GLY and AMPA removal efficiency and the operating parameters.